Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH Industrieel Ingenieur Milieukunde
Het effect van nitriet op fosfaataccumulerende organismen in een pilootschaal SBR. Niville Kwinten Promotor: Van Hulle Stijn, Hogeschool West-Vlaanderen Mentor: Gürkan Sin, Universiteit Gent Academiejaar: 2005-2006
Samenvatting 1. Inleiding Tegenwoordig
is
er
slechts
weinig
onderzoek
dat
zich
toespitst
op
biologisch
fosforverwijdering, waardoor er nog heel wat vragen en onduidelijkheden zijn. Hierdoor zijn er ook heel wat tegenstrijdigheden te vinden in de literatuur wat soms tot verwarring leidt. Door het onderzoek en werken aan de thesis is het dan ook de bedoeling om de materie wat nader toe te lichten.
Het doel van de thesis bestaat er dan ook in om een inzicht te verkrijgen in verschillende aspecten van afvalwaterbehandeling. Dit inzicht spitst zich toe op twee grote aspecten.: ten eerste de werking van de sequencing batch reactor (SBR) met daarbij de te volgen methodologie voor opvolging ervan (monitoring);
ten tweede inzicht krijgen in EBPR
(enhanced biological phosphorus removal), meer bepaald het effect van nitriet op de fosfaatopname bij PAO’s (fosfaataccumulerende organismen).
2. Inhoud 2.1.
Principeweergave: volledig experiment (anoxisch nitriet).
In figuur 1 wordt een typisch voorbeeld van een experiment weergegeven. De verschillende fase met bijhorende acties van de PAO’s worden telkens besproken.
1
De biologische fosfaatverwijdering werkt op basis van een anaërobe en aërobe/anoxische cyclus met substraattoevoeging (influent) in de anaërobe fase. Wanneer het afvalwater de anaërobe fase binnenkomt, zullen bepaalde organismen, namelijk poly-fosfaat accumulerende bacteriën (PAO’s), deze koolstofbron accumuleren als een intern opgeslagen polymeer, namelijk PolyHydroxyAlkanoaten (PHA’s) (zie 1). Deze opname kan enkel plaatsvinden zolang de koolstofbron voor handen is, indien alle CZV-Hac is opgebruikt zal er bijgevolg een stagnatie van de ortho-fosfaatconcentratie optreden (zie 2) De energie nodig om dit polymeer op te slaan is afkomstig van de afbraak van glycogeen en de hydrolyse van een intern energie-rijk fosforketen, namelijk poly-fosfaat (poly-P). Daar poly-fosfaat wordt afgebroken naar ortho-fosfaat voor energievoorziening, zal de fosfaat concentratie in de anaërobe fase dan ook stijgen. De anaërobe fase dient dan ook opgevolgd te worden door een zuurstof of nitraatrijke fase, namelijk een anoxische fase (anoxische fosfaatverwijdering) of een aërobe fase (aërobe fosfaatverwijdering). Gedurende deze fase wordt de opgeslagen PHB geconsumeerd voor het produceren van energie: ten eerste voor de groei, ten tweede voor de opname van ortho-fosfaat uit de vloeibare fase en ten derde voor de aanvulling van glycogeen en poly-fosfaat (zie 3). Reactor B
Fosfaatafgifte
y = 0,003x + 26,86 R2 = 0,1636
30
2 25
Fosfaatopname y = -0,2329x + 44 R2 = 0,9898
Nitietconcentratie P-release
mg NO2-N/l
1 20
3
mgPO4-P/l
15
y = 0,5445x + 5,12 R2 = 1
y = -0,0212x + 13,102 R2 = 0,2349
10
y = -0,2636x + 39,795 R2 = 0,9966
5
0 0
50 A naëro be fase
100 A no xische fase
150
200
250
Tijd (m in)
Figuur 1: Principeweergave: typisch experiment (anoxisch)
2
2.2.
Aërobe fosfaatopname in aanwezigheid van nitriet
De aërobe fosfaatopname zal door aanwezigheid van nitriet normaal gezien een bepaalde inhibitie vertonen. Figuur 2 toont echter een constant verloop van de specifieke fosfaatopname snelheid, namelijk een gemiddelde van 0.124 mg PO4-P/g MLVS-min. Dit komt niet overeen met de literatuurgegevens, waar er een daling waar te nemen is van 0,12 naar 0,06 mg PO4-P/mg MLVSS-min. De reden hiervoor is dat er in de SBR constant een bepaalde nitrietconcentratie aanwezig is. De meetcampagne toonde aan dat er gedurende één cyclus een bepaalde nitrietconcentratie aanwezig, uitgezonderd in de anaërobe fase. Door de continue aanwezigheid hiervan zullen de fosfaataccumulerende organismen zich hieraan aanpassen. Ze zullen als het ware een tolerantie ontwikkelen, waardoor ze minder gevoelig zullen zijn voor nitrietconcentraties.
Aërobe fosfaatopnam e (m et verschillende nitrietconcentraties)
0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0
2
4
6
8
10
12
m g NO2-N/l
Spec.P-opname rate (mg PO4-P/g MLVSS-min)
Figuur 2: Aërobe fosfaatopname onder verschillende nitrietconcentraties. We kunnen dus besluiten er een adaptatie van de PAO’s aan de verhoogde nitrietconcentraties plaatsvindt. Hierdoor zal bijgevolg geen verandering worden waargenomen indien men de nitrietconcentraties in de aërobe fase laat wijzigigen.
3
2.3.
Anoxische fosfaatopname met nitriet als electron-acceptor.
De anoxische fosfaatopname gebeurt door gebruik te maken van nitraat of nitriet als electron-acceptor door PAO’s.
Volgens de reductie potentiaal zou zuurstof het vlugt
gereduceerd worden waarna nitraat en als laatste nitriet. In onderstaande tabel 1 worden de resultaten weergegeven die hieromtrent een andere resultaten geven. Bij de vergelijking van de specifieke fosfaatopname (zie tabel 1) snelheid kan men stellen dat deze voor zuurstof en nitraat als electron-acceptor gelijklopend zijn. Daarentegen is er bij het gebruik van nitriet in de anoxische fase een veel hogere waarde van de specifieke fosfaatopname snelheid waar te nemen. Algemeen geldt dus voor deze experimenten:
Tabel 1: Fosfaatopname karakteristieken onder 3 verschillende electron-acceptoren Resultaten
Zuurstof
Nitraat
Nitriet
Netto P-opname (mg PO4-P/L)
7,53
14,4
17,47
rp-opname (mg PO4-P/min)
0,054
0,118
0,233
rp-nitriet/nitraat (mg NO2/3-N/min)
zuurstof
0,092
0,264
Spec. P-opname rate (mg PO4-P/g MLVSS-min)
0,027
0,032
0,064
Nitriet/nitraat e-a rate (mg NO2/3-N/g MLVSS-min)
zuurstof
0,025
0,072
Spec. P-opname rate (O2) ≅ Spec. P-opname rate (NO3) < Spec. P-opname rate (NO2)
Er bestaan verschillende theorieën die de samenstelling van slib, en specifiek van de fosfaataccumulerende organismen beschrijven. nergens weergegeven.
Een eenduidig antwoord hierop is nog
Daardoor ontstaan er twee hypothesen die hieronder worden
uitgewerkt. De totale actief slibmassa bestaat uit verschillende fracties aan heterotrofen. Deze bacteriën kan men onderverdelen naargelang hun werking binnen het systeem. Één bepaalde fractie hier zijn de fosfaataccumulerende organismen. In hypothese één wordt er geen verdere opdeling gemaakt van de fosfaataccumulerende organismen. Men veronderstelt dus dat alle fosfaataccumulerende organismen in staat zijn zowel nitraat, nitriet als zuurstof als electron-acceptor te gebruiken. In hypothese 2 worde de PAO’s verder verdeeld in fracties waarbij elke fractie verantwoordelijk is voor de fosfaatopname onder verschillende electron-acceptoren.
Er
4
bestaan dus drie groepen van fosfaataccumulerende organismen, namelijk zuurstof, nitraat en nitriet gebruikende PAO’s We kunnen dus besluiten dat er een verbeterde fosfaatopname plaatsvindt indien nitriet als electron-acceptor fugeert.
2.4.
Vergelijking SBR-systeem en experimenten op PAO’s.
Het actief slib in de SBR vertoonde niet altijd de gewenste stabiliteit. Daarom is het van belang de fluctuaties in de SBR te vergelijken met de experimenten die werden uitgevoerd. Uit de gegevens van de SBR-monitoring is er een daling van de MLVSS waarden waar te nemen van 24 oktober tot 18 november (zie figuur 3). Deze daling geeft dus een vermindering van de actieve biomassa weer. Deze daling komt dan ook overeen met de een vermindering van de specifieke fosfaatafgifte en opname snelheid. (zie figuur 4) MLVSS en SVI
6
300
5
250
200 SVI
5 6
7 8
19 17 20 18 21
4
150
3
100
2
50
1
0 24-okt05
MLVSS
1
2 3 4
9 13 10 14 11 15 12 16
0 31-okt05
7-nov05
14-nov- 21-nov- 28-nov05 05 05
5-dec05
12-dec- 19-dec- 26-dec05 05 05
Datum SVI
MLVSS
Figuur 3: MLVSS en SVI waarden van het actief slib in de SBR.
5
Fosfaat-afgifte
15 16
13
0,600
14
18 1
0,500
12 0,400
9
1
2
19 20
21
10
3 4 0,300
11
5 6 7 8
0,200
0,100
0,000
Spec. P-afgifte rate (mg PO4-P/l g MLVSS-min)
YPO4 (mg PO4-P/l mg Hac)-afgifte
Figuur 4: Overzicht van de fosfaatafgifte parameters van de verschillende experimenten.
Deze daling is echter niet terug te vinden in de fosfaatgegevens van het effluent (zie figuur 5). Daar is er namelijk een daling van de ortho-fosfaatconcentratie, wat een verbeterde fosfaatopname en afgifte weergeeft. Een mogelijke verklaring hiervoor zou de verbeterde concurrentiepositie van de PAO’s ten opzichte van de denitrificeerders. Omdat de nitraatconcentratie in het effluent constant blijft en de ortho-fosfaatconcentratie afneemt, kan er een verbeterde concurrentiepositie worden aangenomen. De verbeterde concurrentiepositie zou een stijging van de specifieke afgifte snelheid moeten betekenen, deze is echter dalend.
6
Ortho-fosfaat en Nitraat
mg NO3-N/l
20,00
mg PO4-P/l
25,00
10,00
15,00
1
2 3 4
9 13 10 14 11 15 12 16
7 8
5 6
19 17 20 18 21
5,00
0,00 24/okt
31/okt
7/nov
14/nov
21/nov
28/nov
5/dec
12/dec
19/dec
26/dec
Datum Ortho-Fosfaatconcentratie (mg PO4-P/l)
Nitraatconcentratie (mg NO3-N/l)
Figuur 5: Ortho-fosfaat en nitraat concentratie in het effluent van de SBR.
Hiervoor moet worden teruggegaan naar de MLVSS-waarden. Een daling van de actieve slibmassa heeft een veel groter effect op de specifieke fosfaatafgifte snelheid dan de verbeterde concurrentiepositie. Men kan aannemen dat een daling van de actieve slibmassa, een daling van de fosfaataccumulerende organismen met zich mee brengt terwijl er van de PAO’s die overblijven een beperkte stijging ten opzichte van de andere micro-organismen waar te nemen is. 3. Besluit Er kan dus worden aangenomen dat de aanwezigheid van nitriet in een systeem kan leiden tot verschillende fenomenen, namelijk -
de adaptatie van de PAO’s aan de verhoogde nitrietconcentratie. Dit is duidelijk waar te nemen in de aërobe fosfaatopname. Deze gegevens zijn dan ook tegenstrijdig met literatuurgegevens (Saïto)
-
verbeterde fosfaatopname indien nitriet als electron-acceptor fungeert.
Hierbij
kunnen de PAO’s als één fractie verondersteld worden of kunnen ze opgesplitst worden in drie fracties naargelang hun electron-acceptor
7
